(57)【要約】【課題】  吸収コントラストの小さい試料を３次元画像として観察可能とする透過型電子顕微鏡を得る。【解決手段】  対物レンズ６の後焦点を含む所定の領域を通過する電子線と、前記所定の領域外の領域を通過する電子線との間に位相差を生じさせる位相板８を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に対して電子線を照射する照射手段と、前記試料を傾斜可能に保持する保持手段と、前記電子線を集光する集光レンズ系とを、この順に備えた透過型電子顕微鏡において、
前記集光レンズ系の後焦点を含む所定の領域を通過する電子線と、前記所定の領域外の領域を通過する電子線との間に位相差を生じさせる位相差発生手段を備えていることを特徴とする透過型電子顕微鏡。
【請求項２】
前記位相差発生手段は、前記所定の領域を通過する電子線の位相を変化させることを特徴とする請求項１記載の透過型電子顕微鏡。
【請求項３】
前記位相差発生手段は、前記所定の領域外の領域を通過する電子線の位相を変化させることを特徴とする請求項１記載の透過型電子顕微鏡。
【請求項４】
前記位相差発生手段は、開口を有する磁性体からなり、前記所定の領域が前記開口の領域となり、かつ、前記所定の領域外の領域が前記磁性体の外部領域となることを特徴とする請求項１または２に記載の透過型電子顕微鏡。
【請求項５】
前記位相差発生手段は、前記所定の領域に静電ポテンシャルを発生させることを特徴とする請求項１または２に記載の透過型電子顕微鏡。
【請求項６】
前記位相差発生手段は、導電性の非晶質の物質の薄膜または前記非晶質の複合体の薄膜により構成され、かつ、前記所定の領域に開口を備えていることを特徴とする請求項１または３に記載の透過型電子顕微鏡。
【請求項７】
前記位相差発生手段が、電子線経路に挿入排除可能に設けられていることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の透過型電子顕微鏡。
【請求項８】
前記保持手段は、前記試料を光軸に対して±４５度以上の角度に傾斜させることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の透過型電子顕微鏡。
【請求項９】
前記位相差を生じた電子線により形成される画像に基づいて、３次元画像を構築する画像処理装置を備えることを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の透過型電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、透過型電子顕微鏡に関する。特に、３次元画像を構築するための透過型電子顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、位相差電子顕微鏡が知られている。この位相差電子顕微鏡は、観測対象となる試料に対して電子線を照射し、この試料により散乱した電子線（以下、散乱電子線と称する）と、試料で散乱せずに該試料を透過した電子線（以下、非散乱電子線と称する）との間に位相差を生じさせる顕微鏡である。そして、この位相差透過型顕微鏡では、上記位相差が生じた散乱電子線と非散乱電子線とを像面で干渉させることにより、コントラストを得ている。
【０００３】
ここで上記両電子線間に位相差を生じさせる構成としては、例えば、以下の特許文献１から４に開示された構成が挙げられる。
【０００４】
特許文献１には、対物レンズの後焦点面付近にリング状の磁性体を設けた構成が開示されている。この構成により、特許文献１では、リングの内側を通過した電子線とリングの外側を通過した電子線との間に位相差を生じさせている。
【０００５】
また、特許文献２には、対物レンズの後焦点面付近にリング状の電極を設けると共に、リングの内部にのみ静電ポテンシャルを発生させる構成が開示されている。この構成により、特許文献２では、リングの内側を通過する電子線に位相変化を生じさせ、リングの内側を通過した電子線とリングの外側を通過した電子線との間に位相差を生じさせている。
【０００６】
さらに、特許文献３には、対物レンズの後焦点面付近に、開口部を有する導電性の非晶質薄膜を位相板として備えた構成が開示されている。この構成により、位相板（開口部を除く）を通過した電子線は位相変化が生じる一方、開口部を通過した電子線は位相変化が生じず、その結果、両電子線間で位相差を生じさせることができる。
【０００７】
また、特許文献４には、中央に穴を有する環状の移相部材を備えた構成が開示されている。この構成により、移相部材（穴を除く）を通過した電子線に位相変化を生じさせる一方で、穴を通過した電子線は位相変化が生じず、その結果、両電子線間で位相差を生じさせることができる。
【０００８】
しかしながら、上記位相差電子顕微鏡では、２次元画像しか取得することができない。さらに、上記位相差透過型顕微鏡で得られる２次元画像は、通常の透過型電子顕微鏡に対して、染色法、デフォーカスコントラスト法、暗視野観察法等を適用することにより得ることができる。このため、装置の構成が通常の透過型電子顕微鏡よりも複雑となる位相差透過型顕微鏡は、広く用いられていない。
【０００９】
また、従来より、トモグラフィー手法を用いた透過型電子顕微鏡（以下、トモグラフィー透過型電子顕微鏡と称する）も知られている。ここで、トモグラフィー手法とは、試料を一定の軸周りに回転させて、様々な方向から一連の透過２次元画像を記録し、この２次元画像から、投影復元法等のアルゴリズムを用いてコンピュータにより３次元画像を構築（再構築）する手法をいう。そして、このトモグラフィー透過型電子顕微鏡を用いることにより、３次元画像を取得することが可能となっている。
【００１０】
このトモグラフィー透過型電子顕微鏡は、通常の透過型電子顕微鏡に加え、傾斜装置、試料ホルダ、制御装置、および、画像処理装置を備えている。
【００１１】
傾斜装置は、試料ホルダに保持された試料を様々な方向から観察するために、試料ホルダを所定の角度内で傾斜させる装置である。この試料ホルダを傾斜させることにより、試料を傾斜させることができる。また、試料ホルダは、試料を保持すると共に、傾斜装置による傾斜時に、画像を記録する記録面（領域）に影を生じさせない構造を有している。さらに、制御装置は、試料の傾斜、記録（撮影）位置の補正、焦点合わせ、試料の撮影、および、該撮影により得られた２次元画像データの保存を行う装置である。また、画像処理装置は、上述したようなアルゴリズムを用いて上記２次元画像から３次元画像を構築する装置である。なお、トモグラフィー透過型電子顕微鏡は、必ずしも画像処理装置を備える必要はない。つまり、トモグラフィー透過型電子顕微鏡とは別に画像処理装置を備えておき、トモグラフィー透過型電子顕微鏡で得られた２次元画像を画像処理装置に送信する構成としてもよい。
【００１２】
以上のように、トモグラフィー透過型電子顕微鏡を用いることにより、位相差透過型顕微鏡では得られなかった３次元画像を取得することが可能となっている。
【特許文献１】特開昭６０−７０４８号公報（公開日：昭和６０年１月１４日）
【特許文献２】特開平９−２３７６０３号公報（公開日：平成９年９月９日）
【特許文献３】特開２００１−２７３８６６号公報（公開日：平成１３年１０月５日）
【特許文献４】特開２００３−２１７４９８号公報（公開日：平成１５年７月３１日）
【特許文献５】特開２００３−１００２４９号公報（公開日：平成１５年４月４日）
【非特許文献１】顕微鏡  Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．１（平成１６年３月３１日発行） p11-p14  （社団法人  日本顕微鏡学会）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、上記トモグラフィー透過型電子顕微鏡では、２次元画像がある程度のコントラストのある画像でなければ、２次元画像から３次元画像を構築することができない。例えば、有機物試料、高分子試料、および、生体試料は軽元素によって構成されているため、試料での電子線透過率が高くなり、試料から得られる２次元画像のコントラストが小さくなる。そのため、上記軽元素からなるような吸収コントラストが小さい試料では、３次元画像の構築が困難である。
【００１４】
一方、コントラストのある２次元画像を得る手法（以下、第１の手法と称する）として、分子構造を利用した染色技術（分子染色）がある。例えば、染色剤である酸化オスミウムを試料の２重結合部に付加等させる分子染色が挙げられる。また、酸化ルテニウムによる染色では、結晶と非結晶とのような浸透性が異なる領域を染め分けている。
【００１５】
しかしながら、上記第１の手法では、反応性の低い化学構造をもつ試料に対しては、染色が困難である。また、浸透性が異なる領域で染め分ける場合には、得られる２次元画像の粒状性が悪く、良好な解像度を有する３次元画像が得られない。さらに、結晶性試料に関しては、所定の周期を持って配された原子によりブラグ反射が生じるため、特定の入射角ではコントラストが大きくなってしまう。また、適当な染色材料がない場合には、コントラストのある２次元画像が得られないため、３次元画像の構築が実質上不可能である。さらに、染色により、試料の構造が変形してしまうおそれもある。また、試料をトモグラフィー透過型電子顕微鏡の外で染色してから顕微鏡の鏡筒内に移す必要があるため、鏡筒内において試料に加熱、冷却、変形等の操作を行うことにより生じる動的な構造変化を観察することもできない。
【００１６】
また、他の手法（以下、第２の手法と称する）としては、焦点をずらしてコントラストを大きくするデフォーカスコントラスト法がある。このデフォーカスコントラスト法では、焦点を正焦点からずらすことにより、試料による散乱角に応じて透過電子線に位相差を生じさせ、コントラストを大きくしている。
【００１７】
しかしながら、上記第２の手法では、焦点のずれ量に応じて像のコントラストが大きく変わってしまう。実際の試料傾斜装置では、試料を傾斜すると僅かに位置や高さがずれるため、それに応じて焦点のずれ量も変わる。結果として、試料を傾斜するに従い像のコントラストが大きく変わってしまうといった問題が発生する。この問題を回避するため、トモグラフィー透過型電子顕微鏡では、試料の撮影時（つまり、２次元画像の取得時）において、傾斜角を変える度に焦点のずれを補正する作業が要求されている。
【００１８】
また、さらに他の手法（以下、第３の手法と称する）として、試料と電子線との相互作用で放出される特性Ｘ線や非弾性散乱された電子線を検出することにより、元素の分布状況を測定して、該分布状況からコントラストのある２次元画像を得る手法がある。
【００１９】
また、さらに他の手法（以下、第４の手法と称する）として、広角度に散乱された電子線のみを用いて、重元素の分布状況を測定し、該分布状況よりコントラストのある２次元画像を得る手法がある。
【００２０】
しかしながら、上記第３および第４の手法では、上記電子線のエネルギーのごく一部しか検出しないため、試料に対して多量の電子線を照射する必要が生じる。このため、３次元画像を構築するために多数の像を撮影している間に、試料が電子線損傷を被り、試料の構造が変わってしまうおそれがある。
【００２１】
なお、上記第３および第４の手法を用いない場合でも、トモグラフィー手法を実施する際には試料を傾斜しながら多数の像を記録する必要があるため、通常の透過型電子顕微鏡を用いた観察と比べ、試料には多量の電子線が照射されてしまう。このため、特に高分子などの試料については、電子線損傷が大きな問題となっている。
【００２２】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、吸収コントラストが小さい試料を３次元画像として観察可能とする透過型電子顕微鏡を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明に係る透過型電子顕微鏡は、上記の課題を解決するため、試料に対して電子線を照射する照射手段と、前記試料を傾斜可能に保持する保持手段と、前記電子線を集光する集光レンズ系とを、この順に備えた透過型電子顕微鏡において、前記集光レンズ系の後焦点を含む所定の領域を通過する電子線と、前記所定の領域外の領域を通過する電子線との間に位相差を生じさせる位相差発生手段を備えていることを特徴としている。
【００２４】
上記の構成によれば、位相差発生手段により、前記集光レンズ系の後焦点を含む所定の領域を通過する電子線と、前記所定の領域外の領域を通過する電子線との間に位相差を生じさせることができる。それゆえ、コントラストが得にくい試料であっても、前記位相差発生手段によって、コントラストの高い画像（２次元画像）が得られる。また、保持手段により試料を傾斜させることができるため、試料を複数の角度から撮影することができる。
【００２５】
したがって、複数の角度から撮影された、コントラストの高い画像が得られるという効果を奏する。また、この画像を３次元画像の構築に用いることにより、通常ではコントラストが得にくい試料であっても、３次元画像の構築が可能となる。
【００２６】
さらに、染色していない試料についても、電子線に対する屈折率（静電ポテンシャル）に応じたコントラストが得られるため、該試料の観察が可能となる。
【００２７】
また、画像のコントラストが高いため、それぞれの試料を撮影する際の露光量を減らしても、十分なＳ／Ｎ比（信号対雑音比）を有する画像（２次元画像）が得られる。それゆえ、２次元画像の取得の際に試料に与える電子線損傷を、通常の明視野法と比べて低減できる。したがって、より精度の高い３次元画像の構築が可能となる。
【００２８】
また、従来の透過型電子顕微鏡を用いたトモグラフィーで行われているデフォーカスコントラスト法とは異なり、上記のように位相差を発生させる方法では、焦点のずれ量に対するコントラストの変化が極めて少ない。このため、傾斜角を変える度に焦点のずれを補正する作業を軽減することができる。とりわけ、ある程度の機械的精度を持った試料傾斜装置であれば、焦点ずれの補正作業を全く省略することも可能となる。それゆえ、試料の撮影（つまり２次元画像の取得）を高速に行うことができる。したがって、試料に与える電子線損傷を、更に低減することが可能となる。
【００２９】
また、本発明に係る透過型電子顕微鏡は、上記の透過型電子顕微鏡において、前記位相差発生手段は、前記所定の領域を通過する電子線の位相を変化させることを特徴としている。
【００３０】
上記の構成によれば、位相差発生手段により、前記所定の領域を通過する電子線の位相が変化する。
【００３１】
したがって、前記集光レンズ系の後焦点を含む所定の領域を通過する電子線と、前記所定の領域外の領域を通過する電子線との間に位相差を生じさせることができるという効果を奏する。
【００３２】
また、本発明に係る透過型電子顕微鏡は、上記の透過型電子顕微鏡において、前記位相差発生手段は、前記所定の領域外の領域を通過する電子線の位相を変化させることを特徴としている。
【００３３】
上記の構成によれば、位相差発生手段により、前記所定の領域外の領域を通過する電子線の位相が変化する。
【００３４】
したがって、前記集光レンズ系の後焦点を含む所定の領域を通過する電子線と、前記所定の領域外の領域を通過する電子線との間に位相差を生じさせることができるという効果を奏する。
【００３５】
また、本発明に係る透過型電子顕微鏡は、上記の透過型電子顕微鏡において、前記位相差発生手段は、開口を有する磁性体からなり、前記所定の領域が前記開口の領域となり、かつ、前記所定の領域外の領域が前記磁性体の外部領域となることを特徴としている。
【００３６】
上記の構成によれば、前記集光レンズ系の後焦点を含む所定の領域を通過する電子線は、前記磁性体の開口の領域を通過する。また、前記所定の領域外の領域を通過する電子線は、磁性体の外側を通過する。さらに、上記磁性体の開口には、磁性体の外部よりも強い磁場が発生するため、開口を通過する電子線の位相を変化させることができる。
【００３７】
したがって、前記集光レンズ系の後焦点を含む所定の領域を通過する電子線の位相を変化させることができるという効果を奏する。
【００３８】
また、本発明に係る透過型電子顕微鏡は、上記の透過型電子顕微鏡において、前記位相差発生手段は、前記所定の領域に静電ポテンシャルを発生させることを特徴としている。
【００３９】
上記の構成によれば、前記集光レンズ系の後焦点を含む所定の領域を通過する電子線は、静電ポテンシャルの影響を受ける。
【００４０】
したがって、前記集光レンズ系の後焦点を含む所定の領域を通過する電子線の位相を変化させることができるという効果を奏する。
【００４１】
また、本発明に係る透過型電子顕微鏡は、上記の透過型電子顕微鏡において、前記位相差発生手段は、導電性の非晶質の物質の薄膜または前記非晶質の複合体の薄膜により構成され、かつ、前記所定の領域に開口を備えていることを特徴としている。
【００４２】
上記の構成によれば、前記集光レンズ系の後焦点を含む所定の領域を通過する電子線は、開口を通過する。また、前記所定の領域外の領域を通過する電子線は、開口以外の、導電性の非晶質の物質の薄膜または前記非晶質の複合体の薄膜を通過する。
【００４３】
したがって、前記所定の領域外の領域を通過する電子線の位相を変化させることができるという効果を奏する。
【００４４】
また、本発明に係る透過型電子顕微鏡は、上記の透過型電子顕微鏡において、前記位相差発生手段が、電子線経路に挿入排除可能に設けられていることを特徴としている。
【００４５】
上記の構成によれば、位相差発生手段は電子線経路に挿入排除可能である。
【００４６】
したがって、位相差発生手段を電子線経路から取り外すことにより、試料の焦点合わせが容易に行えるという効果を奏する。また、位相差発生手段を電子線経路から取り外した場合には、通常の透過型電子顕微鏡として利用することができる。
【００４７】
また、本発明に係る透過型電子顕微鏡は、上記の透過型電子顕微鏡において、前記保持手段は、前記試料を光軸に対して±４５度以上の角度に傾斜させることを特徴としている。
【００４８】
上記の構成によれば、傾斜装置によって、前記試料を光軸に対して±４５度以上の角度に傾斜させることができる。
【００４９】
したがって、３次元画像を構築するのに必要となる２次元画像を得ることができるという効果を奏する。
【００５０】
また、本発明に係る透過型電子顕微鏡は、上記の透過型電子顕微鏡において、前記位相差を生じた電子線により形成される画像に基づいて、３次元画像を構築する画像処理装置を備えることを特徴としている。
【００５１】
上記構成によれば、画像処理装置により、位相差を生じた電子線により形成される２次元画像に基づいて、３次元画像を構築できる。
【００５２】
したがって、透過型電子顕微鏡にて、３次元画像を構築することができるという効果を奏する。
【発明の効果】
【００５３】
本発明に係る透過型電子顕微鏡は、以上のように、前記集光レンズ系と投射レンズとの間に、前記集光レンズ系の焦点を含む所定の領域を通過する電子線と、前記所定の領域外の領域を通過する電子線との間に位相差を生じさせる位相差発生手段を備えている。
【００５４】
したがって、複数の角度から投影された、コントラストの高い投射像が得られるという効果を奏する。また、この投射像を３次元画像の構築に用いることにより、通常ではコントラストが得にくい試料であっても、３次元画像の構築が可能となる。
【００５５】
さらに、染色していない試料についても、電子線に対する屈折率（静電ポテンシャル）に応じたコントラストが得られるため、該試料の観察が可能となる。
【００５６】
また、画像のコントラストが高いため、それぞれの試料を撮影する際の露光量を減らしても、十分なＳ／Ｎ比を有する画像（２次元画像）が得られる。それゆえ、２次元画像の取得の際に試料に与える電子線損傷を、通常の明視野法と比べて低減できる。したがって、より精度の高い３次元画像の構築が可能となる。
【００５７】
また、従来の透過型電子顕微鏡を用いたトモグラフィーで行われているデフォーカスコントラスト法とは異なり、上記のように位相差を発生させる方法では、焦点のずれ量に対するコントラストの変化が極めて少ない。このため、傾斜角を変える度に焦点のずれを補正する作業を軽減することができる。とりわけ、ある程度の機械的精度を持った試料傾斜装置であれば、焦点ずれの補正作業を全く省略することも可能となる。それゆえ、試料の撮影（つまり２次元画像の取得）を高速に行うことができる。したがって、試料に与える電子線損傷を、更に低減することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５８】
本発明の一実施形態について図１ないし図６に基づいて説明すると以下の通りである。
【００５９】
本発明に係るトモグラフィー手法を用いた透過型電子顕微鏡（トモグラフィー透過型電子顕微鏡・透過型電子顕微鏡）１は、図１に示すとおり、光源２、集束レンズ３、傾斜装置４、試料ホルダ５、対物レンズ（集光レンズ系）６、位相板移動部材７、位相板（位相差発生手段）８、投射レンズ９、記録装置１０、制御装置（図示せず）、および、画像処理装置（図示せず）を備えている。また、同図の部材番号１１から１５は、それぞれ、光軸、試料面、対物レンズの後焦点、対物レンズの像面、投射レンズの像面を示している。
【００６０】
なお、光源２および集束レンズ３が、特許請求の範囲に記載の照射手段に該当する。また、傾斜装置４および試料ホルダ５が、特許請求の範囲に記載の保持手段に該当する。
【００６１】
光源２は、集束レンズ３の方向に電子線を照射する。集束レンズ３は、光源２からの電子線を集束させて、試料ホルダ５の方向に集束させた電子線を出射する。
【００６２】
傾斜装置４は、試料ホルダ５に保持された試料を様々な方向から観察するために、試料ホルダ５を所定の角度内で傾斜させる。具体的には、傾斜装置４は一つの回転軸４ａを備え、回転軸４ａ周りに所定の範囲で試料ホルダ５を回転させる。この試料ホルダ５の傾斜により、試料を傾斜させることができる。
【００６３】
試料ホルダ５は、試料を保持すると共に、傾斜装置４による傾斜時に、画像を記録する記録面（領域）に影を生じさせない構造を有している。
【００６４】
対物レンズ６は、試料の第１次の像をつくるためのレンズである。対物レンズ６は、試料により散乱した電子線（散乱電子線）と、試料により散乱しなかった電子線（非散乱電子線）とを通過させると共に、上記散乱電子線と非散乱電子線とを位相板８の方向へ出射する。
【００６５】
位相板移動部材７は、位相板８の位置を図の矢印で示すＡＢ方向に調整する部材であると共に、位相板８を電子線経路に対して挿入排除するための部材である。
【００６６】
位相板８は、対物レンズ６の後焦点面１３上に設置されている。なお、位相板８は、出来る限り正確に後焦点面１３面上、あるいは後焦点面１３と等価な面上に設置されている事が望ましい。なお、後焦点面とは、対物レンズ６をはさんで試料と反対側にある焦点面のことである。また、後焦点面と等価な面とは、対物レンズ６の後段に設置したレンズなどにより、対物レンズ６の後焦点面１３に集束した電子線が再度集束する面のことである。
【００６７】
また、位相板８は、対物レンズ６の後焦点を含む所定の領域を通過する電子線（非散乱電子線）と、上記所定の領域外の領域を通過する電子線（散乱電子線）との間に位相差を生じさせる。上記位相差を生じさせる手法としては、例えば、対物レンズ６の後焦点を含む所定の領域を通過する電子線の位相を変化させる手法が挙げられる。別の例としては、上記所定の領域外の領域を通過する電子線の位相差を変化させる手法が挙げられる。なお、位相板８の詳細については、後述する。
【００６８】
投射レンズ９は、対物レンズ６から出射した電子線を、記録装置１０記録面に投射する。記録装置１０は、投射レンズからの電子線を記録するための装置である。つまり、記録装置は、試料の２次元画像を記録するための装置である。なお、記録装置１０は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラを備えていることが好ましい。これは、画像を記録する速度が速く、かつ、複数の像の間で位置合わせを行い易いためである。また、ＣＣＤカメラは、画素数が多くて、かつ、解像度の高いものが好ましい。なお、ＣＣＤカメラ以外にも、イメージングプレートやフィルムのような記録用の部材を利用してもよい。
【００６９】
試料面１２は、傾斜装置４で試料ホルダ５を傾斜させていない状態における、試料が載置される面である。なお、この試料面１２は、光軸１１に対して垂直な面である。
【００７０】
上記制御装置（図示せず）は、傾斜装置４の回転軸４ａを一定の角度ずつ回転させると共に、回転軸４ａが上記一定の角度回転する毎に、試料の撮影を記録装置１０に行わせる。また、回転軸４ａの回転範囲は、光軸１１に対して±４５度以上の角度とする。このように回転範囲を設定することにより、３次元画像を構築するのに必要な投射画像（２次元画像）を得ることができる。ただし、上記回転範囲は、光軸１１に対して±６０度以上の角度とすることが好ましい。この場合には、後述する３次元画像の構築精度を向上させることができる。なお、上記画像処理装置については、後述する。
【００７１】
ところで、上記透過型電子顕微鏡１は、位相板８と投射レンズ９との間に、中間レンズを備えた構成としてもよい。さらに、上記透過型電子顕微鏡１は、対物レンズ６と位相板８との間に、別のレンズを備えた構成としてもよい。この場合、対物レンズ６と上記別のレンズ（つまり、上述した、対物レンズ６の後段に設置したレンズ）とが、特許請求の範囲に記載の集光レンズ系に該当する。また、上記別のレンズを設けた場合には、上記等価な面における焦点（つまり、対物レンズ６と上記後段に設置したレンズとで構成されるレンズ系（集光レンズ系）の後焦点）が、特許請求の範囲に記載の集光レンズ系の後焦点に該当する。なお、上記別のレンズを設けない場合には、対物レンズ６の後焦点が、特許請求の範囲に記載の後焦点に該当する。
【００７２】
また、上記透過型電子顕微鏡１では、電子線を構成する電子の加速電圧に制限はないが、試料が傾斜して厚みが増した場合においても試料を電子が透過できようにするため、加速電圧は２００ｋＶ以上の電圧であることが好ましい。なお、コントラストの高い明瞭な２次元画像を得るために、試料の厚みが厚いほど、高い加速電圧を用いることが好ましい。
【００７３】
また、透過型電子顕微鏡１の光源２としては、電界放出型の輝度が高く、かつ、干渉性に優れた電子銃が好ましい。ただし、このようなものに限定されず、より安価なＬａＢ６熱陰極も上記光源２として用いることができる。なお、電子銃の輝度とは、クロスオーバ（陰極から放出された電子線が、電子銃内の静電加速レンズによる収束作用を受けた結果、形成する電子線最小断面）での輝度をいう。また、輝度とは、光源の明るさを単位立体角度あたりの電流密度で表わしたものである。
【００７４】
また、傾斜装置４は、試料の傾斜に対して、位置と高さとが不変となることが理想である。しかしながら、実際には、試料を傾斜させると、位置や高さが僅かではあるがずれるため、傾斜装置４に上記ずれを補償する機構を備えておいてもよい。
【００７５】
次に、位相板８の構成例（３つの構成例）、および、各構成例に示した位相板８を用いた場合における位相差の発生について、図２から図６に基づいて説明する。なお、以下では、説明の便宜上、各構成例の位相板８を、それぞれ、位相板８ａ、８ｂ、８ｃと記載する。
【００７６】
まず、１つ目の構成例について説明する。位相板８ａは、図２に示すとおり、薄膜で形成されており、かつ、この薄膜の中央に開口２１を設けた構成を有している。上記薄膜は、例えば、導電性の非晶質物質や、非晶質の複合体で構成される。また、透過型電子顕微鏡１では、上記位相板８ａが光軸１１に対して垂直となり、かつ、開口２１が、光軸１１上に位置するように、位相板８ａを設置する。
【００７７】
なお、上記開口２１の領域が、特許請求の範囲に記載の所定の領域に該当する。また、上記開口２１の領域以外の位相板８ａの領域が、特許請求の範囲に記載の所定の領域外の領域に該当する。
【００７８】
図３は、上記構成を有する透過型電子顕微鏡１における光路を示した図である。上記集束レンズ３から出射した電子線（平行光）は、試料面１２を通過する。より具体的には、上記電子線は、試料ホルダ５または試料ホルダ５の外部領域を通過する。また、試料ホルダ５を通過する電子線のうち、いくらかの電子線は試料自体を通過する。
【００７９】
ここで、試料により散乱させられなかった電子線（非散乱電子線）は、同図の実線で示すとおり、平行光のまま対物レンズ６に入射される。そして、上記非散乱電子線は、対物レンズ６により、後焦点面１３の焦点近傍に集光される。つまり、非散乱電子線は、位相板８ａの開口２１に集光される。一方、試料により散乱させられた電子線（散乱電子線）は、同図の破線で示す光路を通り、後焦点面１３に設置された位相板８ａ（つまり、薄膜の部分）を通過する。
【００８０】
したがって、非散乱電子線は、位相板８ａが配された後焦点面を通過しても位相が変化しない一方、散乱電子線は、位相板８ａにより位相が変化することとなる。それゆえ、散乱電子線と非散乱電子線との位相差が生じることとなる。
【００８１】
このため、光軸１１を中心とした所定の範囲には、互いに位相が異なる電子線（散乱電子線・非散乱電子線）が混在することとなる。したがって、投射レンズ９から記録装置１０に投射される２次元画像は、コントラストの高い画像となる。それゆえ、吸収コントラストの小さいな試料（有機物試料、高分子試料、生体試料等）であっても、試料から得られる２次元画像を、トモグラフィー技術を用いた３次元画像を構築する際の画像として用いることができるようになる。
【００８２】
なお、上記３次元画像の構築は、上記画像処理装置により行われる。具体的には、画像処理装置は、記録装置１０が撮影した２次元画像のデータを取得し、この２次元画像のデータを入力データとして、所定のアルゴリズムを用いて３次元画像を構築する。
【００８３】
ここで、上記位相板８ａの作製方法について説明する。まず、真空蒸着装置により炭素棒を加熱蒸散させ、劈開直後の雲母表面に、均一な厚みを有する非晶質炭素の薄膜を形成する。次に、上記雲母を水中に浸漬することにより、炭素薄膜を剥離して水面に浮遊させる。その後、水面の炭素薄膜を円形の穴が空いた枠ですくい取り、乾燥させる。次に、収束イオンビーム加工観察装置を用いて、上記枠に張りついた炭素薄膜の中央に円形の穴を開ける。以上により、位相板８ａが得られる。
【００８４】
なお、上記位相板８ａを設置する際には、対物レンズ６の絞り（図示せず）を取り外して、この絞りの位置に位相板を設置すればよい。これにより、通常の透過型電子顕微鏡を用いて、本発明に係る透過型電子顕微鏡１を得ることができる。
【００８５】
次に、位相板８についての２つ目の構成例について説明する。位相板８ｂは、図４に示すとおり、リング状の磁性体で構成されている。また、透過型電子顕微鏡１では、上記位相板８ｂが光軸１１に対して垂直となり、かつ、リングの開口２２が、光軸１１上に位置するように、位相板８ｂを設置する。
【００８６】
なお、上記開口２２の領域が、特許請求の範囲に記載の所定の領域に該当する。また、上記開口２２の領域以外の位相板８ｂの領域が、特許請求の範囲に記載の所定の領域外の領域に該当する。
【００８７】
図５は、上記構成を有する透過型電子顕微鏡１における光路を示した図である。上記集束レンズ３から出射した電子線（平行光）は、試料面１２を通過する。より具体的には、上記電子線は、試料ホルダ５または試料ホルダ５の外部領域を通過する。また、試料ホルダ５を通過する電子線のうち、いくらかの電子線は試料自体を通過する。
【００８８】
ここで、試料により散乱させられなかった電子線（非散乱電子線）は、同図の実線で示すとおり、平行光のまま対物レンズ６に入射される。そして、上記非散乱電子線は、対物レンズ６により、後焦点面１３の焦点近傍に集光される。つまり、非散乱電子線は、位相板８ｂの開口２２に集光される。
【００８９】
一方、試料により散乱させられた電子線（散乱電子線）は、同図の破線で示す光路を通り、後焦点面１３に設置された位相板８ｂの外部を通過する。より詳しくは、上記散乱電子線は、リングの外側領域を通過する。
【００９０】
したがって、散乱電子線は、位相板８ｂが配された後焦点面を通過しても位相が変化しない一方、非散乱電子線は、位相板８ｂにより位相が変化することとなる。それゆえ、散乱電子線と非散乱電子線との位相差が生じることとなる。
【００９１】
このため、位相板８ｂを用いた場合には、上記位相板８ａを用いた場合と同様に、吸収コントラストの小さい試料であってもコントラストの高い２次元画像が得られることとなる。
【００９２】
次に、位相板８についての３つ目の構成例について説明する。図６（ａ）は、位相板８ｃの斜視図であり、図６（ｂ）は、位相板８ｃの断面図である。位相板８ｃは、図６（ａ）（ｂ）に示すとおり、導電層２３、絶縁層２４、および、導電層２５を備えている。また、位相板８ｃは、リング形状を有している。さらに、透過型電子顕微鏡１では、上記位相板８ｃが光軸１１に対して垂直となり、かつ、リングの開口２６が、光軸１１上に位置するように、位相板８ｃを設置する。
【００９３】
なお、上記開口２６の領域が、特許請求の範囲に記載の所定の領域に該当する。また、上記開口２６の領域以外の位相板８ｃの領域が、特許請求の範囲に記載の所定の領域外の領域に該当する。
【００９４】
導電層２３は、電極２３ａを備えている。この電極２３ａには、外部から所定の電圧が加えられる。また、絶縁層（２４・２４）は、導電層２３を該導電層２３の両面から被覆するための層である。導電層２５は、導電層２３の反対側に位置する、各絶縁層（２４・２４）の面を覆っている。さらに、導電層２５は、導電層２３および絶縁層（２５・２５）の各外側面を覆っている。つまり、導電層２５は、リングの内壁面を除き、導電層２３および絶縁層（２５・２５）を覆っている。さらに、導電層２５は、電気的に接地されている。この構成により、位相板８ｃでは、リングの開口２６に静電ポテンシャルを生じさせることができる。
【００９５】
この位相板８ｃを備えた構成においても、位相板８ｂを備えた構成と同様に、試料により散乱させられなかった電子線（非散乱電子線）は、対物レンズ６により、後焦点面１３の焦点近傍に集光される。つまり、非散乱電子線は、位相板８ｃの開口２６に集光される。
【００９６】
一方、試料により散乱させられた電子線（散乱電子線）は、後焦点面１３に設置された位相板８ｃの外部を通過する。より詳しくは、上記散乱電子線は、リングの外側領域を通過する。
【００９７】
したがって、散乱電子線は、位相板８ｃが配された後焦点面を通過しても位相が変化しない一方、非散乱電子線は、位相板８ｃにより位相が変化することとなる。それゆえ、散乱電子線と非散乱電子線との位相差が生じることとなる。
【００９８】
このため、位相板８ｃを用いた場合には、上記位相板８ａおよび８ｂを用いた場合と同様に、吸収コントラストの小さい試料であってもコントラストの高い２次元画像が得られることとなる。
【００９９】
以上のように、位相板８ａは、上記所定の領域（開口２１の領域）外の領域を通過する電子線の位相を変化させる構成である一方、位相板８ｂおよび８ｃは、上記所定の領域（開口２３および２６の領域）を通過する電子線の位相を変化させる構成であるといえる。
【０１００】
次に、透過型電子顕微鏡１を用いて３次元画像を得る際の、手順について説明する。
（１）試料の準備
試料の一例として、スチレンとメタクリル酸メチルのブロック共重合体を用いる。所定量の試料を溶融成形した後、ミクロトームにより超薄切片を作成する。これを透過型電子顕微鏡用の試料グリッドにすくい取り、金コロイドを乗せる。さらに、金コロイドを乗せた上から炭素を薄く蒸着して観察用の試料とする。
（２）２次元画像の取得
透過型電子顕微鏡１に上記（１）で作成した試料を挿入し、位相板８を外した状態で定法により軸調整と焦点合わせを行う。この場合、試料のコントラストが極小になるよう正焦点に合わせる。その後、位相板８を透過型電子顕微鏡１に装着して位相コントラストを発生させ、試料の撮影を行う。なお、撮影は、傾斜装置４の回転軸４ａを１度づつ回転させる共に、回転軸４ａが１度回転する毎に、試料の撮影を記録装置１０に行わせる。また、回転軸４ａの回転範囲を、光軸１１に対して±６０度の範囲とし、この範囲内で撮影（撮像）を行う。
（３）３次元画像の構築
上記取得した複数の２次元画像を画像処理装置に取り込んだ後、金コロイドの位置を基準として共通の座標原点を決める。そして、画像処理装置は、各２次元画像に対して、フーリエ変換を施す。その後、フーリエ変換されたデータは、画像処理装置により、Ｘ軸およびＹ軸を回転させて組み合わされ、一つの３次元逆空間データとされる。そして、データの欠落した部分を補完すると共に、３次元逆空間データを逆フーリエ変換し、３次元像を構築する。なお、この画像処理の手法は、医用で用いられるＸ線ＣＴ（コンピュータ・トモグラフィー）と同じアルゴリズムである。
【０１０１】
試料の第２の例として、粒径２０ｎｍから３０ｎｍのカーボンブラックを含有する天然ゴム加硫物の塊（ブロック）から、クライオミクロトームにより切り出した、厚みが２００ｎｍ程度の切片を、図２に示した位相板８ａを備えた透過型電子顕微鏡１により観察した。なお、この場合においては、試料を±１５度以下の範囲で傾斜し、各傾斜位置での試料を撮影して２次元画像を得た。
【０１０２】
図７（ａ）（ｂ）は、この観察により得られた画像である。なお、図７（ａ）と図７（ｂ）とでは、撮影時における試料の傾斜角の範囲を異ならせており、図７（ａ）と図７（ｂ）とは、互いに異なった立体写真（ステレオグラム）となっている。ここで、上記２つの立体写真を、人間の左右別々の目で見ることにより、分散しているカーボンブラックの粒子を、立体的に、かつ、画像形成面から飛び出したような状態で見ることができる。
【０１０３】
このように、試料の観察に透過型電子顕微鏡１を用いることより、図７（ａ）（ｂ）に示すとおりの精度の高い立体画像の構築が可能となる。
【０１０４】
以上のように、透過型電子顕微鏡１は、試料に対して電子線を照射する光源２および集束レンズ３（照射手段）と、前記試料を傾斜可能に保持する傾斜装置４および試料ホルダ５（保持手段）と、前記電子線を集光する対物レンズ６（集光レンズ系）とを、この順に備えた透過型電子顕微鏡であって、対物レンズ６の後焦点を含む所定の領域を通過する電子線と、前記所定の領域外の領域を通過する電子線との間に位相差を生じさせる位相板８（位相差発生手段）を備えている構成である。
【０１０５】
上記の構成によれば、位相板８により、対物レンズ６の後焦点を含む所定の領域を通過する電子線と、前記所定の領域外の領域を通過する電子線との間に位相差を生じさせることができる。それゆえ、コントラストが得にくい試料であっても、前記位相板８によって、コントラストの高い２次元画像が得られる。また、傾斜装置４および試料ホルダ５により試料を傾斜させることができるため、試料を複数の角度から撮影することができる。
【０１０６】
したがって、複数の角度から撮影された、コントラストの高い投射像が得られるという効果を奏する。また、この２次元画像を３次元画像の構築に用いることにより、通常ではコントラストが得にくい試料であっても、３次元画像の構築が可能となる。
【０１０７】
また、本発明に係る透過型電子顕微鏡１を用いることにより、適切な染色剤が無いため染色不可能な試料も顕微鏡観察によりトモグラフィーを行うことが可能となる。さらに、染色による試料の構造変化や、染色剤の粒状性による解像度の低下も回避することができる。
【０１０８】
さらに、染色を用いない他の観察法、例えば元素分析を併用する場合と比べて、透過型電子顕微鏡１では、少ない電子線量で観察可能であり、電子線に対してそれほど強くない試料も観察対象にできる。つまり、染色していない試料についても、電子線に対する屈折率（静電ポテンシャル）に応じたコントラストが得られるため、該試料の観察が可能となる。こうした試料としては、高分子、有機物、生体試料等が挙げられる。
【０１０９】
また、画像のコントラストが高いため、それぞれの試料を撮影する際の露光量を減らしても、十分なＳ／Ｎ比を有する画像（２次元画像）が得られる。それゆえ、２次元画像の取得の際に試料に与える電子線損傷を、通常の明視野法と比べて低減できる。したがって、より精度の高い３次元画像の構築が可能となる。
【０１１０】
また、従来の透過型電子顕微鏡を用いたトモグラフィーで行われているデフォーカスコントラスト法とは異なり、上記のように位相差を発生させる方法では、焦点のずれ量に対するコントラストの変化が極めて少ない。このため、傾斜角を変える度に焦点のずれを補正する作業を軽減することができる。とりわけ、ある程度の機械的精度を持った試料傾斜装置であれば、焦点ずれの補正作業を全く省略することも可能となる。
【０１１１】
それゆえ、試料の撮影（つまり２次元画像の取得）を高速に行うことができる。したがって、試料に与える電子線損傷を、更に低減することが可能となる。
【０１１２】
また、鏡筒内で試料を変形させ、あるいは、温度を変化させることにより生じた試料の構造変化を、この鏡筒内で観察することもできる。さらに、得られた３次元画像はコンピュータの画面で自由に回転したり、特定の領域や界面だけを強調して表示できるので、複雑な立体構造も容易に理解することが出来る。
【０１１３】
本発明を用いた観察によって、従来では得られなかった情報が期待される主な試料としては、低分子有機化合物、高分子共重合体、高分子結晶、高分子複合体が挙げられる。また、高分子試料を鏡筒内で伸張して生じる高次構造の変化、充填材を含む試料を変形させた場合の応答、および、加熱・冷却による試料の構造の変化なども、本観察により確認できる。
【０１１４】
ところで、上記実施の形態においては、制御装置が、試料の傾斜および撮影を連続して行う構成を示した。しかしながら、このような傾斜および撮影を連続して処理する機能を必ずしも備える必要はなく、ユーザの操作により、傾斜および撮影を１回毎に行う構成としてもよい。また、このような連続処理機能を、制御装置に対して後に付加できる構成としてもよい。
【０１１５】
また、上記実施の形態においては、試料を一軸回転させる構成を挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、２軸回転させる構成としてもよい。さらに、複数の位相板を光軸１１に沿って配置して、散乱電子線と非散乱電子線とで位相差を生じる構成としてもよい。
【０１１６】
また、上記においては、非散乱電子線を試料により散乱しなかった電子線と定義したが、極小さい散乱角度で散乱する電子線についても本実施の形態で示した非散乱電子線の一部と考えてもよい。つまり、対物レンズ６を通過後に、対物レンズ６の後焦点面上１３の焦点近傍に集光される散乱電子線であれば、本実施の形態で示した非散乱電子線と考えてもよい。
【０１１７】
また、上記実施の形態においては、透過型電子顕微鏡１が画像処理装置を含み、透過型電子顕微鏡１により３次元画像を構築する構成であったが、上記画像処理装置を透過型電子顕微鏡から分離した構成としてもよい。つまり、透過型電子顕微鏡で得た２次元画像を、別途設けられた画像処理装置に送り、該画像処理装置で上記２次元画像に基づき３次元画像を構築するといったシステム構成（画像処理システム）としてもよい。
【０１１８】
つまり、この画像処理システムは、上記の透過型電子顕微鏡と、前記投射レンズにより投射されて得られた２次元画像に基づいて、３次元画像を構築する画像処理装置とを備えているといえる。この構成においても、上記透過型電子顕微鏡で得られた２次元画像に基づき、画像処理装置にて３次元画像を構築することにより、通常ではコントラストが得にくい試料であっても、３次元画像の構築が可能となる。
【０１１９】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１２０】
吸収コントラストの小さい試料を観察するための各種透過型電子顕微鏡に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１２１】
【図１】本発明の実施の形態に係る透過型電子顕微鏡の概略構成を示した断面図である。
【図２】上記透過型電子顕微鏡で用いられる位相板の斜視図である。
【図３】図２の位相板を備えた透過型電子顕微鏡における光路を示した図である。
【図４】上記透過型電子顕微鏡で用いられる他の位相板の斜視図である。
【図５】図４の位相板を備えた透過型電子顕微鏡における光路を示した図である。
【図６】上記透過型電子顕微鏡で用いられるさらに他の位相板の斜視図である。
【図７】（ａ）は、図２の位相板を備えた上記透過型電子顕微鏡を用いて撮影されたカーボンブラックを示す画像であり、（ｂ）は、同透過型電子顕微鏡を用いて撮影された上記カーボンブラックの他の画像である。
【符号の説明】
【０１２２】
１  透過型電子顕微鏡
２  光源
３  集束レンズ
４  傾斜装置
４ａ  回転軸
５  試料ホルダ
６  対物レンズ（集光レンズ系）
７  位相板移動部材
８・８ａ・８ｂ・８ｃ  位相板（位相差発生手段）
９  投射レンズ
１０  記録装置
１１  光軸
１２  試料面
１３  後焦点面
２１・２２・２６  開口
【図１】
2006012795.tif 000003
【図２】
2006012795.tif 000004
【図３】
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【図４】
2006012795.tif 000006
【図５】
2006012795.tif 000007
【図６】
2006012795.tif 000008
【図７】
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